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轿车车门设计与碰撞分析
摘要
车门是车身结构中一个较复杂的总成。
随着社会的发展和汽车工业的繁荣,汽车作为一种交通工具,在人们生活中起着举足轻重的作用。
汽车车身是整车的重要组成部分,而车门作为车身的一个重要组成部分,又发挥着它所特定的功能。
因而对车门也有特定的要求,如开关方便,玻璃升降方便、具有良好的密封、制造工艺性好等。
由此可见,车门结构设计对车身乃至整车都有重大的影响。
本文运用CATIA软件进行车门各系统总成的设计与安装布置,并详细对防撞梁的耐撞性、抗弯性进行分析,并对其结构进行优化。
运用LS-DYNA软件建立侧面碰撞有限元模型,根据C-NCAP侧面碰撞法规要求,进行侧面碰撞CAE仿真模拟,为进一步结构优化奠定了基础。
关键词:
车门;结构;设计;侧面碰撞;计算机模拟
Abstract
Carbodydoorisamorecomplexinthebodystructure.Withthedevelopmentofsocietyandtheprosperityoftheautoindustry,automobileasatraffictool,inpeoplelifeplaysanimportantrole.Thecarbodyisanimportantpartofthewholevehicle,andthedoorsasanimportantpartofthecarbody,andplaywithspecificfunctions.Soonthedooralsohavespecificrequirements,suchasswitchingconvenient,glassliftconvenient,withgoodsealing,manufacturingtechnology.Therefore,thedoorsofbodystructuredesignandthevehiclehassignificantinfluence.
TheuseofsoftwareforeachsystemCATIAthedoorofthedesignandinstallationarrangementanddetailedtoguardagainstthebeamsofthestaminatorun,bentonanalysis,andtooptimizetheuseofitsstructure.ThefinitemodelforacertainautomobilewascreatedwiththesoftwareLS-DYNA.AccordingtotheC-NCAPsideimpactrulesthesimulationanalysiswasfinished,anditestablishedthefoundationforfurtherstructureoptimization.
Topicwords:
Cardoor;Structure;Design;sideimpact;computersimulation
第一章绪论
1.1车门研究的内容和意义
随着社会的发展和汽车工业的繁荣,汽车作为一种交通工具,在人们生活中起着举足轻重的作用。
汽车车身是整车的重要组成部分,而车门作为车身的一个重要组成部分,又发挥着它所特定的功能。
车门的结构型式很多,有旋转门,拉门,折叠门和外摆式车门。
后两者主要用于大客车上。
各类车的驾驶员专用门,货车及轿车车门,大多采用旋转门,开门时旋转方向可以是往前(顺开门)或往后(逆开门),顺开门在行车中比较安全。
对车门的要求有:
(1)具有必要的开度,并能使车门停在最大开度,以保证上、下车方便。
安全可靠,车门能锁住,行车或撞车时车门不会自动打开。
(2)开关方便,玻璃升降方便。
(3)具有良好的密封。
(4)具有足够的刚度。
不易变形下沉,行车时不振响。
(5)制造工艺性好,易于冲压并便于安装附件。
(6)外型上与整车协调。
由此可见,车门结构设计对车身乃至整车都有重大的影响,随着经济全球化进程的加快,汽车工业的竞争日益加剧,汽车巨头们都在加紧新车型的设计与开发,由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟,新车型便主要体现在电子设备和车身造型的更新上。
同时,为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力,全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”(PlatformStrategy),车身的开发便是该战略的主要组成部分。
目前,在一种新车型的开发项目中,40%的设计师和工程师是在从事与车身相关的开发。
车身与汽车电子一起己经成为目前汽车整车产品中最活跃的因素。
我国的汽车工业同发达国家相比仍然落后很多,归根结底就是因为车身技术的相对落后。
因此,要大力发展我国的汽车工业关键就在于车身技术的发展。
在新车型的开发设计过程中,如何判断车门结构的合理性及车门结构静、动态性能的优劣,并对车门结构设计进行优化,是一项十分重要的工作。
由于车门的结构十分复杂,用经典力学方法很难得到精确的优化解,为了能够计算出车门的刚度和强度,往往对车门结构进行较多的假设和简化,计算模型只能构造得非常简单,与实际的结构形状相差很大。
1.2汽车CAE技术
1.2.1CAE技术简介
随着科技的发展进步,产品在趋于多样化、智能化的同时,会不可避免地趋于复杂化。
对于复杂的工程,人们都希望能在产品生产以前对设计方案进行精确试验、分析和论证,这些工作需要借助计算机来实现,即CAE(ComputerAidedEngineering)。
CAE是一个包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的综合过程,关键是在三维实体建模的基础上,从产品的设计阶段开始,按实际条件进行仿真和结构分析,按性能要求进行设计和综合评价,以便从多个方案中选择最佳方案,或者直接进行设计优化。
CAE技术主要包括以下三个方面的内容:
(1)有限元法的主要对象是零件,包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容;
(2)仿真技术的主要对象是分系统或系统,包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容;
(3)优化设计的主要对象是结构设计参数。
在CAE技术中,有限元法(FiniteElementMethod)是运用最成功,最广泛的一种数值方法。
它的核心思想是结构的离散化,就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体。
它将求解域看成是许多称为有限元的小的互相连接的子域(单元)组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域的总的满足条件的解,从而得到问题的解。
目前用于有限元分析的软件很多,如ADINA、PATRAN、NASTRAN、LDEAS、ANSYS等。
1.2.2CAE技术在汽车产品开发中的作用
实践证明,应用有限元法对整车结构进行分析,可在产品设计初期对其刚度和强度有充分认识,使产品在设计阶段就可保证使用要求.缩短设计试验周期,节省大量的试验和生产费用,是提高产品可靠性、既经济又实用的方法之一。
它在汽车设计及产品开发中的直用使得汽车在轻量化、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高。
第二章车门的总成设计和要求
2.1车门类型的选择
车门是车身上相对独立的总成,与车身组成一个有机的整体。
因此,在车门设计过程中,应充分考虑结构要素的完整统一和与车身其它相关要素的协调匹配。
车门有多种类型(表2-1)。
不同类型的车门可分为车门本体、车门附件两部分。
车门本体属白车身范畴,指作为一个整体涂漆、未装备状态的饭金焊接总成,包括车门内外板、加强板和窗框等,是实现车门整体造型效果、强度、刚度及附件安装的基础框架。
而附件则是为满足车门的各项功能要求,在白车身上装配的零件及总成,其中包括车门锁、铰链、限位器、玻璃、拉手、操纵钮、出风口、密封件及内外装饰件等,另外还有一些其它的在车门上装备的附件,如烟灰盒、扬声器、放物袋、限位块和行程开关等。
车门的基本结构。
表2-1车门分类
分类方式
类型
特点及常用车型
开启方式
旋转门
用于大多数汽车
折叠门
多用于客车
拉门
多用于轻型客车
结构
整体式车门
刚度好、质量高、随形性好
分体式车门
钣金件减小、材料利用率高、视野性能好
窗框
有窗框车门
用于大多数汽车、可为独立窗框或整体式车门
无窗框车门
敞篷车、硬顶车、运动车使用
旋转方式
逆开门
较少采用,仅为方便上、下车
顺开门
安全性好,车门误开时,不会因为气流作用吹开门,较常用
上开门
用于轿车和轻型车的背门,也用于低矮的汽车
根据整车车身结构对车门结构的要求,采用轻量化设计、保证良好的视野性等因素,应当选择分体式结构。
由于滚压窗框车门降低模具难度和成本,极大提高材料利用率,而且门框细而均匀,有更大范围的视野。
所以,本次设计采用的是分体式液压窗框车门。
2.2车门结构的3D建模
左车门由钣金焊接总成、附件及内饰构成。
总成构成如下表2-2所示:
表2-2左车门构成
左车门构成
钣金焊接总成
附件
内饰
左前门焊接总成
左前车门玻璃总成
左前车门内护板总成
左前门外板
左前车门玻璃升降器总成
左前车门开关饰板
左前门里板焊接总成
左前车门锁总成
左前车门内开手柄护罩
左前门里板
左前车门内开手总成
左前车门上饰板总成
前门铰链安装板总成
左前车门外开手总成
左前门铰链加强板
左前车门内挡水条
左前门门锁加强板
左前车门外挡水条
左车门窗框总成
前车门锁扣总成
左前门防撞杆
前门铰链总成
左车门窗沿内加强板
前车门限位器总成
左车门窗沿外加强板
前车门洞密封条总成
左车门拉手盒支架
左前车门防水膜总成
前车门锁机构螺母板总成
左外后视镜
左前车门密封条总成
根据以上车门的构成,基于CATIA软件完成车门设计的一些相关要求。
主要通过CATIA中的零部件设计模块、曲面模块和DMU模块对车门进行设计仿真及运动校核,其结构图如下。
2.2.1车门结构总成
图2-1左车门构成
表2-3左车门结构
零件序号
级次
3
左前门焊接总成
1
4
左前门外板
4
左前门里板焊接总成
2
5
左前门里板
3
5
前门铰链安装板总成
4
5
左前门铰链加强板
5
5
左前门门锁加强板
6
5
左车门窗框总成
7
5
左前门防撞杆
8
5
左车门窗沿内加强板
9
5
左车门窗沿外加强板
10
5
左车门拉手盒支架
11
5
前车门锁机构螺母板总成
2.2.2附件结构图
图2-2附件结构图
表2-4左车门附件结构
零件序号
1
左前车门玻璃总成
2
左前车门玻璃升降器总成
3
左前车门锁总成
4
左前车门内开手总成
5
左前车门外开手总成
6
左前车门内挡水条
7
左前车门外挡水条
8
前车门锁扣总成
9
前门铰链总成
10
前车门限位器总成
11
左前车门密封条总成
12
前车门洞密封条总成
13
左外后视镜
2.2.3内饰结构图
图2-2内饰结构图
表2-5左车门内饰结构
零件序号
1
左前车门内护板总成
2
左前车门开关饰板
3
左前车门内开手柄护罩
4
左前车门上饰板总成
第三章车门附件的布置
3.1门锁的布置
门锁装置主要由锁体、内开机构、外开机构、锁止机构、挡块、定位器和缓冲器等部分组成。
设计时,车门门锁装置应满足轻便、安全、锁止和强度等方面的要求。
如图3-1所示,车门锁安装在车门钣金上,锁扣固定在车身侧围上,锁扣穿过车门内板与锁本体啮合。
锁扣与锁本体的布置,需要参考铰链轴线,啮合时锁扣垂直啮合到锁体内。
铰链中心线确定后,车门的开关运动轨迹即可确定,运动校核须检验车门周边与门洞是否干涉,特别是车门前端是否与前立柱干涉,并依此确定车门的开度。
与门锁机构相关的运动件很多,有内外手柄、内锁按钮、锁芯、锁体、锁环及其相应的联杆等,它们的正确安装、使用、彼此干涉情况对车门结构的影响和制约较大,也是车门布置设计的重要步骤。
图3-1门锁系统布置图
功能要求:
(1)车门外开闭锁功能及防误锁功能,有全锁和半锁两档位置,在锁止状态下,内外手柄打不开车门,开锁时,车内用按钮,车外用钥匙,有的也设计保险锁;
(2)开闭耐久性10×105次;
(3)承受纵横向载荷能力,全锁时:
纵向11110N,横向8890N,半锁时纵向4450N,横向4450N;
(4)互开率:
1000种不同钥匙牙花数以上;
(5)耐惯性力:
全锁状态承受3g加速度作用。
3.2窗框结构确定及玻璃升降器布置
窗框结构、玻璃形状的确定及玻璃升降器的布置,是车门结构设计的难点和重要内容。
3.2.1窗框结构的确定
窗框结构和车门结构密切相关,车门结构形式不同,相应的窗框结构形式也不同。
本次设计应选用液压式窗框。
液压式窗框结构如下图3-2。
图3-2窗框结构图
表3-1左车门窗框结构
零件序号
左车门窗框总成
1
左车门上窗框
2
左车门前窗框
3
左车门前窗框下支架
左车门后窗框总成
4
左车门后窗框内板
5
左车门后窗框外板
6
左车门后视镜安装板
对液压式窗框的要求:
1)保证前后导轨平行;
2)作预弯处理。
3.2.2玻璃升降器的布置
3.2.2.1汽车玻璃升降器结构及特点
我国于1981年推行了JB2882—8l《载重汽车用玻璃升降器技术条件》标准,在此标准的基础上,根据我国汽车玻璃升降器的制造使用及检测情况,并参照国际上有关的先进技术指标及数据,修改制定了汽车行业标准QC/T29026--91《汽车用玻璃升降器试验方法》和QC/T29027—91《汽车用玻璃升降器技术条件》,并于1991年颁布实施,该标准对于汽车玻璃升降器的基本技术性能及测试方法作了明确的规定。
由于目前我国大量使用的主要为臂式玻璃升降器,其它类型特别是柔式玻璃升降器尚缺乏有关的技术资料和技术数据,故上述标准仅适用于臂式玻璃升降器。
由于臂式玻璃升降器制造工艺相对简单,成本低,目前我国80%左右的汽车玻璃升降器采用臂式玻璃升降器。
而柔式玻璃升降器从平稳性、运动阻力来说大大优于前者结构更紧凑,且安装和布置都较为方便,但目前我国关于柔式升降器尚无正式的国家标准。
软轴式玻璃升降器在世界各种中高档车辆特别是轿车上已被大量采用,是一种比较先进的玻璃升降器。
近年来国内的引进汽车产品,如重汽斯泰尔、北京切诺基和南京依维柯等均采用这种升降器。
目前已在国内一些汽配厂如北京汽车玻璃升降器厂、南汽随车工具厂、四川汽车厂附件厂等完成了有关软轴式玻璃升降器的生产工艺的技术开发(引进),可提供国产化产品。
随着其批量化生产水平的提高,亦可用于替代臂式玻璃升降器。
由于汽车结构布局设计、制造成本、制造技术的要求,手动推拉式的车窗调整机构仍为许多车辆采用。
目前臂式及手动(机械式)玻璃升降器为主要使用类型,柔式玻璃升降器的应用尚限于引进车型,而电动式玻璃升降器应用较少。
电动玻璃升降器在国外中高档车上应用已很普通,由于其结构复杂、成本高、且国内小型电机产品性能不稳定,故目前在我国汽车产品中应用尚少。
可以预见,随着我国汽车设计、制造水平的提高,电动玻璃升降器将越来越多地应用于汽车产品。
目前我国汽车玻璃升降器产品的主要发展方向:
a)改进产品制造质量,提高使用可靠性;
b)提高零件通用性;
c)减小零件质量,使结构更加紧凑;
d)提高软轴式玻璃升降器生产水平。
3.2.2.2玻璃升降器的选择
玻璃升降器是车门上主要附件之一它带动玻璃上下运动占据门内大量空间在选择玻璃升降器时应考虑以下因素车门造型特点车窗开口大小玻璃形状和安装方式此外一般要求选择的玻璃升降器最大行程比实际行程大些。
现代汽车中最常用的玻璃升降器有交叉臂式升降器与绳轮升降器2种。
交叉臂式升降器总体刚度好,对玻璃支撑区域宽,玻璃上升、下降过程中稳定性好,通过布置玻璃上升、下降过程蓄能装置“平衡弹簧”可大大减少升降器滑动配合面的接触应力,提高升降器的运行寿命;缺点是运行中受到侧面因玻璃弧度引起交叉臂变形而产生的应力增加了运行阻力,且其本身质量比绳轮升降器大。
绳轮式升降器可以适应玻璃弧面半径小于2000mm的车型(轿车为了美观,玻璃弧面半径或曲率半径通常小于2000mm),运行时噪声低,主要元件是塑料件,占用金属少、质量轻,对减轻车门质量和车门铰链负担有利;缺点是支撑玻璃区域窄,玻璃上升、下降时若两侧受力相差过大玻璃扭转与两侧导轨的摩擦力大增会被卡住,钢丝绳绕线复杂,若松动则容易相互缠绕脱轨而失效,钢丝绳如果润滑不好与导轨摩擦会增大,绷断几率很高,由于没法安装玻璃上升、下降过程蓄能装置“平衡弹簧”,手动绳轮升降器转动手柄上升用力很大,而下降时玻璃下降太快手柄用力小,手感很差。
综合上述2种升降器特点,门玻璃升降器为节约成本及控制重量考虑采用绳轮式玻璃升降器,而且要求采用绳轮式玻璃升降器,前后玻璃导轨必须平行。
3.2.2.3玻璃升降器的功能要求
(1)操作方便,摇手柄力矩不大于2Nm;
(2)结构可靠,制动力矩足够,在臂杆滚轮处沿玻璃切线方向加300N反力无逆转,在上升行程任意位置,玻璃下沉量不大于5mm;
(3)强度:
上止点,在手柄上加负荷,各部位不扭曲,运动自如;
(4)寿命:
4×105次耐久实验,无异常。
3.2.2.4根据玻璃面确定玻璃运动轨迹及玻璃导轨的设计
现在确定的玻璃面为,圆半径为2638mm的圆柱面;玻璃的运动为螺旋线运动;螺旋线螺距P=4000mm。
下面是该玻璃面的运动仿真,玻璃在运动过程中近似螺旋线运动,且偏差在0.15以内。
图3-3玻璃运动仿真
3.2.2.5玻璃升降器与玻璃的安装
玻璃及玻璃升降器的安装形式,如下图:
用7个螺栓固定在车门内板上。
图3-4玻璃升降器工作示意图
3.3车门铰链布置及运动校核
车门铰链的设计是车门设计的一项重要工作,直接关系到车门能否正常开启。
在铰链设计中,铰链中心线定位和铰链中心距是重要的设计硬点。
铰链轴线一般设计成具有内倾角和后倾角。
内倾角指铰链轴线在x=0平面上的投影与z轴之间的夹角,内倾角一般为0~4°,见图3-5;后倾角指铰链轴线在y=0平面上的投影与z轴之间的夹角,一般为0~2°,见图3-6。
内倾角和后倾角都是为了使车门开启时获得自动关门力,也有个别汽车门铰链具有前倾角,但一般不会有外倾角。
图3-5内倾角
图3-6前后倾角
1、铰链旋转中心的确定
(1)根据外表面及车门分缝确定铰链旋转中心;
(2)为保证运动间隙,车门铰链尽量离车门外表面近;为保证铰链的强度,车门铰链的跨距要尽量的大;
(3)车门绕铰链旋转的过程中,保证车门与翼子板的间隙在3.5mm以上;
(4)根据外表面及这些约束条件,确定车门铰链的位置,确定旋转中心,车门旋转中心为向内倾2.25度,向前倾2.25度;两铰链跨距434mm,锁扣啮合点与铰链旋转中心距为1100.1mm。
2、车门翻转角度的确定
(1)车门翻转的角度需要满足人机,上下车方便性的要求;
(2)上下车方便性的人机要求为:
下部空间大于250mm,上部空间大于650mm;
(3)如下图所示车门旋转60度下部空间为381mm,上部空间为856mm,符合要求;
(4)打开状态下门沿最低点比关闭状态下高14mm。
图3-7车门铰链开度
铰链中心距的确定可参考车门长度,一般铰链中心距/车门长度=33%,或者更长。
需要说明的是在布置铰链时,应注意在结构允许的情况下,车门上下两铰链之间的距离应尽可能大。
为了避免打开车门时与其它部分干涉,铰链的轴线应尽可能外移,使其靠近车身侧面。
3.3.1车门铰链轴线的确定
确定铰链轴线其实就是合理地布置铰链。
铰链是车门总成中的受力构件。
当车门关闭时,车门上的承力件为门锁和铰链;当打开车门时,车门的重力完全由铰链来承受。
铰链轴线的布置会影响车门的开度、门柱的尺寸、以及车门开缝线的位置和形状。
在布置铰链时,应注意以下几方面的问题。
(1)在结构允许的情况下,车门上、下两铰链之间的距离应尽可能大。
(2)布置铰链时,为了避免打开车门时与其它部分干涉。
铰链的轴线应尽可能外移,使其靠近车身侧面。
根据以上要求,我们来对S16车门铰链轴线进行确定:
S16车门左右是对称的,我们分析时只要分析一边的车门即可,此次分析主要分析左边的车门。
左边车门铰链的位置在XOZ、YOZ平面,其轴线的位置如下图3-8所示
XOZ平面轴线位置YOZ平面轴线位置
图3-8铰链轴线位置
经初步的铰链轴线运动校核显示,车门不会与铰链及翼子板产生干涉,铰链轴线初步得到确认。
3.3.2运动校核
铰链中心线位置和中心距确定后,需要进行运动干涉校核,这也在主断面设计中完成,可能出现的干涉位置有前后门干涉、前门与A柱翼子板干涉、门与铰链干涉等,在可能干涉的位置取主断面,将车门延中心线旋转,即可一目了然,如图3-9。
图3-9门铰链运动校核
3.3.3车门运动间隙满足工艺性校核
将所有的误差都累计到铰链上的校核方法:
车门铰链中心在一个长6mm宽4mm的长方形内运动,车门与周边零件不干涉;如下图所示,铰链轴心在最差的位置车门运动间隙为:
3.8mm;与周边零件没有干涉。
因此理论状态下定义车门与周边零件的间隙3.5mm以上符合要求。
图3-10车门运动间隙
3.4限位器布置及运动校核
3.4.1限位器的布置
由于限位器的布置相对来说比较独立,而且要保证与周边零件的安全间隙.因此.限位器的具体布置工作应该在车门其他附件布置基本完成后进行。
限位器布置的输人条件:
所用限位器的结构类型、车门铰链中心线位置、玻璃滑槽位罝、车门玻璃运动包罗面、车门内外蒙皮边界条件、密封面、侧围外蒙皮边界条件及车门内饰板边界条件等。
布置限位器时应满足以下几点要求:
布罝空间要求:
为减小限位器的有效摩擦力,提高使用寿命,降低开发难度,一般要求限位器相对于铰链中心线的最小力臂尽量大,因此,限位器中心线应尽量远离车门铰链中心线,以增大限位器的力臂。
在前期总体布置时,应考虑车门内外蒙皮之间的厚度能满足限位器布置的空间要求。
与周边零件的安全间隙主要考虑:
(1)限位器最大开启角度比车门铰链开启角度小大约5°左右。
(2)限位器旋动轴线与铰链轴线应平行。
(3)限位器在Z方向上的布置应尽量布置在上下铰链间或靠下的位罝。
尽量在玻璃滑槽最弯处。
(4)限位器盒固定螺钉周围要有工具安装空间。
限位器盒与车门玻璃包罗面、玻璃滑槽应有足够的安全间隙。
(5)限位器臂运动过程中与玻璃包罗面应有足够的安全间隙。
(6)限位器臂尾部运动过程中与内饰板应有足够的安全间隙。
(7)限位器臂运动过程中与内蒙皮焊接总成应有足够的安全间隙。
(8)限位器臂运动过程中与限位盒的夹角一般不大于8°。
(9)限位器在车门内蒙皮上的安装位罝的钣金结构工艺可行性应考虑。
现布置空间如下图:
图3-11限位器结构
限位器安装座固定在侧围上,
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